Giáo trình Hệ thống số Nhập môn mạch điện Chương 1: Các khái niệm cơ bản

Giáo trình Hệ thống số Nhập môn mạch điện Chương 1: Các khái niệm cơ bản đem đến cho bạn những kiến thức nền tang cơ bản về các hệ thống số (nhị phân, thập phân, bát phân,...), các khái niệm cơ bản về mạch số, hệ thống thông tin digital, analog; truyền dữ liệu,...

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

 Đề Cương

 Các dạng biểu diễn trị số

 Hệ thống kỹ thuật số và hệ thống kỹ thuật tương tự

 Các hệ thống số trong kỹ thuật số

 Biểu diễn các đại lượng nhị phân trong kỹ thuật

 Mạch số

 Truyền song song và truyền nối tiếp

 Thuộc tính nhớ, mạch tổ hợp và mạch tuần tự

 Máy tính kỹ thuật số

 Mục Đích

Sau khi hoàn thành chương này, bạn phải nắm được kiến thức:

 Cách phân biệt dạng biểu thị tương tự và dạng biểu thị số

 Cách so sánh ưu và khuyết giữa kỹ thuật số và kỹ thuật tương tự

 Tầm quan trọng của bộ chuyển đổi tương tự – số (ADC) và bộ chuyển đổi số – tương tự (DAC)

 Khái niệm về một số hệ thống số

 Giản đồ thời gian của tín hiệu số

 Cách phân biệt cách truyền song song và truyền nối tiếp

 Cách phân biệt mạch tổ hợp và mạch tuần tự, thuộc tính nhớ của mạch tuần tự

 Các thành phần chính của một máy tính

 Các Thuật Ngữ Tiếng Anh:

 Analog representation: biểu diễn dạng tương tự

 Digital representation: biểu diễn dạng số

 Analog-to-digital converter (ADC): bộ biến đổi từ tương tự sang số

 Digital-to-analog converter (DAC): bộ biến đổi từ số sang tương tự

 Decimal number system: hệ thống số thập phân

 Binary number system: hệ thống số nhị phân

 Octal number system: hệ thống số bát phân

 Hexadecimal number system: hệ thống số thập lục phân

 Bit (binary digit): chữ số trong hệ nhị phân

 Timing diagram: giản đồ thời gian

 Microprocessor/ Microcontroller: vi xử lý/ vi điều khiển

 Most Significant Bit (MSB): bit có trọng số lớn nhất

 Least Significant Bit (LSB): bit có trọng số nhỏ nhất

1.1- Các Dạng Biểu Diễn Trị Số

Khi nghiên cứu một đối tượng bất kỳ, chúng ta có nhu cầu đo lường, tính toán số luợng, thể tích, khối lượng, cường độ, mật độ …của đối tượng đó Trong

khoa học kỹ thuật, những thuộc tính đó được được gọi chung là đại lượng Trong thực tế, có hai cách biểu diễn đại lượng: biểu diễn dạng tương tự và biểu diễn dạng số

 Trong cách biểu diễn dạng tương tự, một đại lượng có thể được biểu diễn thành điện thế hay cường độ dòng điện, hay một số đo tương quan với giá trị của đại lượng đó

 Ví dụ: đồng hồ đo tốc độ của xe hơi, đồng hồ đo VOM dùng kim, nhiệt kế, micro, biến trở …

 Đặc điểm chính của cách biểu diễn dạng tương tự là dạng biểu diễn thay đổi theo một khoảng giá trị liên tục

 Trong toán học, biểu diễn dạng tương tự là hàm số liên tục

 Trong kỹ thuật điện tử, biểu diễn dạng tương tự là công nghệ đèn điện tử, vi mạch tương tự …

 Trong cách biểu diễn dạng số, một đại lượng có thể được biểu diễn thành một dãy các ký số

Ví dụ: đồng hồ đo VOM dùng số, nhiệt kế dùng số, số hạt cát trong một bình chứa …

 Đặc điểm chính của cách biểu diễn dạng số là dạng biểu diễn thay đổi theo từng bước, gián đoạn, không liên tục

 Trong toán học, biểu diễn dạng số là hàm số gián đoạn Và

toán học dùng trong dạng biểu diễn này được gọi là toán

rời rạc

 Trong kỹ thuật điện tử, biểu diễn dạng số là công nghệ vi mạch số …

1.2- Hệ Thống Kỹ Thuật Số Và Hệ Thống Kỹ Thuật Tương Tự

1.2.1- Hệ thống kỹ thuật số

 Là một hệ thống gồm nhiều thiết bị kỹ thuật để lưu trữ, xử lý các đại lượng được biểu diễn dưới dạng số

 Các thiết bị kỹ thuật dạng số thường là thiết bị điện tử, cơ khí, từ

 Ví dụ: Máy tính, máy ảnh số, máy quay phim số, truyền hình số, dĩa nhạc Compact …

1.2.2- Hệ thống kỹ thuật tương tự

 Là một hệ thống gồm nhiều thiết bị kỹ thuật để lưu trữ, xử lý các đại lượng được biểu diễn dưới dạng tương tự

 Các thiết bị kỹ thuật dạng tương tự thường là thiết bị điện tử, cơ khí, từ …đa số là thiết bị về điện tử

 Ví dụ: máy ảnh dùng phim, máy quay phim dùng băng từ, truyền hình thông thường, dĩa than, loa, radio …

1.2.3- Ưu điểm của hệ thống kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự

Càng ngày, càng nhiều lãnh vực dùng kỹ thuật tương tự chuyển sang dùng kỹ thuật số như công nghệ ghi âm, công nghệ máy ảnh, máy quay phim, công nghệ truyền hình… do những ưu điểm sau:

 Dễ thiết kế hơn

 Thông tin được lưu trữ dễ dàng

 Độ chính xác và độ tin cậy cao hơn

 Dễ tự động hoá hơn

 Aûnh hưởng do nhiễu thấp hơn

 Khả năng tích hợp càng ngày càng cao, và kích thước càng ngày càng nhỏ gọn hơn

1.2.4- Nhược điểm của hệ thống kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự

Tuy nhiên, do thế giới thực là thế giới tương tự nên để áp

dụng được hệ thống kỹ thuật số, ta phải chuyển đổi đại lượng ngõ nhập thành dạng số, sau khi xử lý xong lại chuyển thành dạng tương tự như sơ đồ khối ở hình 1:

Dụng cụ đo ADC Xử lý tín hiệu số

Nhiệt độ

(Số)

(Tương tự) Điều chỉnh nhiệt độ

Hình 1 Sơ đồ khối của một hệ thống dùng ADC và DAC

 Như vậy, vấn đề là bộ chuyển đổi tương tự – số (ADC) và bộ chuyển đổi số – tương tự (DAC), hai bộ chuyển đổi này phải đạt yêu cầu là việc chuyển đổi càng trung thực càng tốt

 Tùy thuộc vào từng yêu cầu cụ thể của hệ thống, chúng ta có thể sử dụng cả hai loại kỹ thuật này, thành phần nào dùng kỹ thuật tương tự, thành phần nào dùng kỹ thuật số

1.3- Các Hệ Thống Số Trong Kỹ Thuật Số

Có nhiều hệ thống số được dùng trong kỹ thuật số, trong đó có hệ thống số

thập phân, hệ thống số nhị phân, hệ thống số bát phân và hệ thống số thập

lục phân

 Những hệ thống số đếm nói trên đều dựa trên vị trí của từng chữ số, vì giá trị của một chữ số phụ thuộc vào vị trí của nó, theo nguyên tắc ở bảng sau:

a 2 a 1 a 0

Bảng 1 Quy tắc biểu diễn một hệ thống đếm cơ số e

 Ơû đây có hai số a2a1a0 và a4a3a2a1a0.a-1a-2a-3a-4a-5 của một

hệ thống đếm cơ số e, với e  N, ai {0,1,2,…,e-1}

 Số x1 được viết là a2a1a0 có nghĩa là x1 = a2.e2 + a1.e 1 + a0.e 0

 Số x2 được viết là a4a3a2a1a0.a-1a-2a-3a-4a-5 có nghĩa là x2 =

a4.e4 + a3.e 3 + a2.e 2 + a1.e 1 + a0.e 0 + a-1.e-1 + a-2.e -2 + a-3.e -3 + a-4.e -4 + a-5.e -5

 Một hệ thống đếm cơ số e có N chữ số sẽ có eN số bắt đầu

từ số 0 đến số eN-1

 Chữ số nằm tận cùng bên phải là chữ số ở vị trí nhỏ nhất,

được gọi tắt theo tiếng Anh là LSD, chữ số nằm tận cùng bên tay trái là chữ số ở vị trí lớn nhất, được gọi tắt theo tiếng Anh là MSD

Số x1 có a2 là MSD và a0 là LSD

Số x2 có a4 là MSD và a-5 là LSD

 Trọng số: là giá trị của eN-1 tại vị trí N của phần nguyên, và

bằng e-N tại vị trí –N của phần định trị

1.3.2- Hệ thống số thập phân (hệ thống đếm cơ số 10)

 Hệ thống số thập phân có 10 chữ số là 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,

8, 9

 Hệ thống số thập phân là hệ thống số đếm theo vị trí với

cơ số e=10

 Để phân biệt với các hệ thống số khác, ta thêm chữ D nằm

sau LSD để hiểu đây là hệ thống số thập phân

 Cho 2 số 276D và 9563.18D, ta có kết quả cụ thể theo bảng

sau:

2 7 6 D

Trọng

số

Bảng 2 Quy tắc biểu diễn một hệ thống thập phân Vậy 276D = 2x102 + 7x101 + 6x100 trong đó chữ số 2 là MSD và chữ số 6 là LSD

Và 9563.18D = 9x103 + 5x102 + 6x101 + 3x100 + 1x10-1 + 8x10

-2 trong đó chữ số 9 là MSD và chữ số 8 là LSD

 Trọng số lần lượt là … 1000, 100, 10, 1 cho phần nguyên, và 0.1, 0.01, 0.001 … cho phần định trị

 Đặc điểm của hệ thống số thập phân là với N chữ số ta có thể đếm được 10N số khác nhau, từ 0 đến 10N-1

Ví dụ: với 2 chữ số có thể đếm được một trăm số từ 0D đến 99D (102-1), với ba chữ số có thể đếm được một ngàn số từ 0D đến 999D (103-1)

 Hệ thống số nhị phân có 2 chữ số là 0, 1 và chữ số nhị phân

được gọi tắt theo tiếng Anh là bit

 Hệ thống số nhị phân là hệ thống số đếm theo vị trí với cơ số e=2

 Riêng trong hệ thống số nhị phân, do chữ số nhị phân được

gọi bit, nên bit nằm tận cùng bên phải là chữ số ở vị trí nhỏ

nhất, được gọi tắt theo tiếng Anh là LSB, bit nằm tận cùng bên tay trái là bit ở vị trí lớn nhất, được gọi tắt theo tiếng Anh là MSB

 Để phân biệt với các hệ thống số khác, ta thêm chữ B nằm sau LSB để hiểu đây là hệ thống số nhị phân

 Cho 2 số 101B và 1011.11B ta có kết quả cụ thể theo bảng sau:

1 0 1 B

Trọng

số

Bảng 3 Quy tắc biểu diễn một hệ thống nhị phân Vậy 101B = 1x22 + 0x21 + 1x20 = 4 + 1 = 5D Và 1011.11B = 1x23 + 0x22 + 1x21 + 1x20 + 1x2-1 + 1x2-2 = 8 + 2 + 1 + 0.5 + 0.25 = 11.75D

 Trọng số lần lượt là … 8, 4, 2, 1 … cho phần nguyên, và 0.5, 0.25, 0.125 … cho phần định trị

 Đặc điểm của hệ thống số nhị phân là với N bit ta có thể đếm được 2N số khác nhau, từ 0 đến 2N-1

Ví dụ: với 2 bit có thể đếm được từ 4 số từ 00B đến 11B (22 -1), với ba bit có thể đếm được 8 số từ 000B đến 111B (23-1)

1.3.4- Hệ thống số bát phân (hệ thống đếm cơ số 8)

 Hệ thống số bát phân có 8 chữ số là 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

 Hệ thống số bát phân là hệ thống số đếm theo vị trí với cơ số e=8

 Để phân biệt với các hệ thống số khác, ta thêm chữ O nằm sau LSD để hiểu đây là hệ thống số thập phân

 Trọng số lần lượt là … 512, 64, 8, 1 … cho phần nguyên, và 0.125, 0.15625 … cho phần định trị

 Đặc điểm của hệ thống số bát phân là với N chữ số ta có thể đếm được 8N chữ số khác nhau, từ 0 đến 8N-1

Ví dụ: với 2 chữ số có thể đếm được một 64 số từ 0O đến 77O (82-1), với ba chữ số có thể đếm được 512 số từ 0O đến 777O (83-1)

 Cho 2 số 276O và 1563.18O, ta có kết quả cụ thể theo bảng sau:

Vậy 276O = 2x82 + 7x81 + 6x80 = 128 + 56 + 6 = 190D Và 1563.18O = 1x83 + 5x82 + 6x81 + 3x80 + 1x8-1 + 8x8-2 = 512 +

320 + 48 + 3 + 0.125 + 0.125 = 883.25D

Trọng

số

Bảng 4 Quy tắc biểu diễn một hệ thống bát phân

1.3.5- Hệ thống số thập lục phân (hệ thống đếm cơ số 16)

 Hệ thống số thập lục phân có 16 chữ số là 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6,

7 8, 9, A, B, C, D, E, F Với A = 10, B = 11, C =12, D= 13, E

=14, F =15 trong hệ thống số thập phân

 Hệ thống số thập lục phân là hệ thống số đếm theo vị trí với cơ số e=16

 Để phân biệt với các hệ thống số khác, ta thêm chữ H nằm sau LSD để hiểu đây là hệ thống số thập lục phân

 Cho 2 số 276H và 1A6F.08H, ta có kết quả cụ thể theo bảng sau:

Trọng

số

Bảng 5 Quy tắc biểu diễn một hệ thống thập lục phân Vậy 276H = 2x162 + 7x161 + 6x160 = 512 + 112 + 6 = 630D Và 1A6F.08H = 1x163 + 10x162 + 6x161 + 15x160 + 0x16-1 + 8x16-2 = 4096 + 2560 + 96 + 15 + 0.03125 = 6767.03125D

 Trọng số lần lượt là … 4096, 256, 16, 1 … cho phần nguyên, và 0.0625, 0.00390625 … cho phần định trị

 Đặc điểm của hệ thống số thập lục phân là với N chữ số ta có thể đếm được 16N chữ số khác nhau, từ 0 đến 16N-1 Ví dụ: với 2 chữ số có thể đếm được một 256 số từ 0H đến FFH (162-1), với ba chữ số có thể đếm được 4096 số từ 0H đến FFFH (163-1)

1.3.6- Mối quan hệ giữa các hệ thống số

Mối quan hệ giữa các hệ thống số có thể minh họa qua bảng sau:

Bảng 6 Quan hệ giữa các hệ thống số

1.4- Biểu Diễn Các Đại Lượng Nhị Phân Trong Kỹ Thuật

Trong kỹ thuật hiện thời, hầu hết các thiết bị hoạt động ở hai trạng thái như diod (dẫn diện/không dẫn), relay (ngắt/đóng), dĩa từ (từ hoá/khử từ)…Như

vậy, thông tin về mặt vật lý được biểu diễn dưới dạng nhị phân phù hợp với bản chất thiết bị

 Trong các thiết bị điện tử số, thông tin nhị phân được biểu diễn bằng mức điện thế Tùy theo công nghệ chế tạo IC, như công nghệ lưỡng cực, họ TTL thì số 0 là mức điện thế từ 0  0.8 Volt và được gọi là mức 0, số 1 là mức điện thế từ 2  5 Volt và được gọi là mức 1, như công nghệ đơn cực, họ CMOS thì số 0 hay mức 0 là mức điện thế từ 0 Volt, số

1 hay mức 1 là mức điện thế từ 3  15 Volt tùy theo điện áp cấp nguồn

 Ở đây, ta nhắc lại sự khác biệt giữa hệ thống biểu diễn số và tương tự ở chổ này Nếu ở thiết bị số thì mức điện thế là

3 Volt hay 5 Volt đều là mức 1, trong khi đó trong thiết bị tương tự đây là sự khác biệt lớn Như vậy, nếu gặp nhiễu thì thiết bị số ít bị ảnh hưởng hơn thiết bị tương tự Để thiết kế một mạch tương tự với độ chính xác cao là điều rất khó khăn so với thiết kế một mạch với khoảng điện thế cho mức

1 là khá lớn

Mức nhị phân 0

Mức nhị phân 1

0 Volt

5 V

0.8 V

2 V

Không sử dụng

Hình 2 Mức điện thế họ TTL

 Giản đồ thời gian của tín hiệu số là sơ đồ biểu diễn sự thay đổi trạng thái của tín hiệu theo thời gian như hình sau:

Hình 3 Giản đồ thời gian của tín hiệu số

 Về mặt lý thuyết, sự chuyển đổi trạng thái từ 0  1 hay từ

1  0 là tức thời, nên trên giản đồ thời gian ta nhận thấy là những đường vuông góc Về mặt kỹ thuật sự chuyển đổi trạng thái từ 0  1 hay từ 1  0 là có khoảng thời gian trễ, nên trên giản đồ thời gian là những đường không vuông góc Nhưng nói chung thì thời gian trễ này là quá bé so với thời gian ở mức 0 hay mức 1 nên ta vẫn vẽ giống như lý thuyết, trừ những trường hợp cần xét cụ thể

 Để quan sát giản đồ thời gian của tín hiệu số, ta dùng dao

động ký

1.5- Mạch Số

3.5 V

3.5 V

3.5 V 0.3 V Vin

Vout

Vout

Mạch số Vin

0 V

0 V

Vin

Vout 4.5 V

0.5 V

Trường hợp 1 Vin = 3.5 V và 0.3 V

Trường hợp 2 Vin = 4.5 V và 0.5 V Hình 4 Mạch số đáp ứng theo mức 0 hay 1

 Mạch số là mạch được thiết kế để ngỏ xuất có mức điện thế là mức 0 hay mức 1 như đã nói ở phần 1.4, và ngõ nhập cũng được thiết kế sao cho mức điện thế là mức 0 hay mức

1 tương ứng như trên

 Mạch Logic là là mạch số tuân theo quy tắc của đại số Bool

 Vi mạch số là tích hợp nhiều mạch logic bên trong một chip Tùy theo công nghệ chế tạo, ta có các họ IC như TTL, CMOS…

1.6- Truyền Song Song Và Truyền Nối Tiếp

Có hai phương pháp để truyền thông tin từ nơi này sang nơi khác, đó là phương pháp truyền song song và truyền nối tiếp

Truyền mỗi bit mỗi đường truyền, và tất cả các bit đều được truyền đồng thời

D4 D3 D2 D1 D0 (MSB)

(LSB)

Hình 5 Truyền song song 5 bit

1.6.2- Truyền nối tiếp

D4

t1

D0

t2

(MSB) (LSB)

D2 D3 D1

Hình 6 Truyền nối tiếp 5 bit

 Truyền nối tiếp là chỉ sử dụng một đường truyền, và tuần tự truyền xong bit này đến bit khác

 Truyền song song thì tốc độ cao, nhưng tốn kém dây dẫn Nên những thiết bị gần thì sử dụng cách truyền song song

 Truyền nối tiếp tốc độ thấp nhưng chi phí thấp, thường được dùng trong kết nối có khoảng cách xa

 Tuy nhiên, hiện tại một số chuẩn truyền nối tiếp mới có tốc độ rất cao không thua gì truyền song song như USB 2.0, IEEE1394, SerialATA…, nhưng chỉ dùng được trong khoảng cách gần

1.7- Thuộc Tính Nhớ, Mạch Tổ Hợp và Mạch Tuần Tự

Trong hệ thống kỹ thuật số, có thể phân loại mạch số làm hai loại: mạch

có nhớ (mạch tuần tự) và mạch không nhớ (mạch tổ hợp)

Mạch không nhớ là mạch mà ngõ xuất chỉ phụ thuộc vào trạng thái ngõ vào tại đúng thời điểm đó

Mạchkhông nhớ

Hình 7 Mạch không nhớ

Mạch có nhớ là là mạch có ngõ xuất không chỉ phụ thuộc vào trạng thái ngõ vào, mà còn phụ thuộc trạng thái bên trong trước đó của mạch

Mạch có nhớ

Hình 8 Mạch có nhớ

1.8- Máy Tính Kỹ Thuật Số

1.8.1- Máy tính kỹ thuật số:

 Máy tính kỹ thuật số gọi tắt là máy tính hoạt động theo mô hình Von Neuman gồm ba phần chính:

 Bộ xử lý trung tâm (gọi tắt là CPU hay MPU), hay còn được gọi là bộ vi xử lý, bao gồm bộ xử lý các phép toán số học và luận lý, (gọi tắt là ALU) và bộ điều khiển

 Bộ nhớ để lưu trữ chương trình và dữ liệu

 Các thiết bị nhập/xuất

 Bộ vi điều khiển thì tích hợp cả ba bộ phận là bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ và thiết bị nhập/xuất